能源部橡樹嶺實驗室的研究人員已經證明了對用量子信息編碼的光子的新控制水平。他們的研究 發表 在 Optica上。

ORLL量子信息科學小組的研究科學家Joseph Lukens，Brian Williams，Nicholas Peters和Pavel Lougovski同時對兩個不同頻率光子編碼的量子位進行了獨立的獨立操作，這是線性光學量子計算的關鍵能力。量子比特是量子信息的最小單位。

使用頻率編碼量子比特的量子科學家已經能夠在兩個量子比特上并行執行單個操作，但這對量子計算來說是不夠的。

“為了實現通用的量子計算，你需要能夠做 不同 的操作 不同 的量子比特 相同的 時間，而這正是我們所做的，” Lougovski說。

根據Lougovski的說法，該團隊的實驗系統 - 包含在單股光纜中的兩個糾纏光子 - 是“你能想象到的最小的量子計算機”。本文標志著我們基于頻率的通用量子計算方法的首次演示。“

“許多研究人員正在談論使用光子進行量子信息處理，甚至使用頻率，”Lukens說。“但是沒有人想過在同一個空間內通過相同的光纖束發送多個光子，并以不同的方式對它們進行操作。”

該團隊的量子頻率處理器允許他們操縱光子的頻率以實現疊加，這是一種能夠實現量子操作和計算的狀態。

與為經典計算編碼的數據位不同，以光子頻率編碼的疊加量子位具有0 和 1 的值 ，而不是0 或 1.這種能力允許量子計算機同時在比當今的超級計算機更大的數據集上執行操作。

使用他們的處理器，研究人員證明97%的干涉能見度 - 衡量兩個光子的相似程度 - 與類似研究中返回的70%可見率進行比較。他們的結果表明光子的量子態實際上是相同的。

研究人員還應用了與機器學習相關的統計方法，以證明操作是以非常高的保真度和完全受控的方式完成的。

“我們能夠使用貝葉斯推理提取有關我們實驗系統量子態的更多信息，而不是使用更常見的統計方法，”威廉姆斯說。

“這項工作代表了我們團隊的進程第一次回歸實際的量子結果。”

威廉姆斯指出，他們的實驗裝置提供穩定性和控制。“當光子在設備中采用不同的路徑時，它們會經歷不同的相位變化，從而導致不穩定，”他說。“當他們通過相同的設備，在這種情況下，光纖鏈，你有更好的控制。”

穩定性和控制能夠實現量子操作，從而保護信息，減少信息處理時間并提高能效。研究人員將他們正在進行的項目(從2016年開始)與將要連接在一起的構建模塊進行比較，以實現大規模量子計算。

彼得斯說：“在采取下一個更復雜的步驟之前，你必須采取一些措施。” “我們之前的項目專注于開發基本功能，使我們現在可以在具有全量子輸入狀態的完全量子域中工作。”

Lukens表示，該團隊的結果顯示“我們可以控制量子比特的量子態，改變它們的相關性，并使用標準電信技術以適用于推進量子計算的方式對其進行修改。”

一旦量子計算機的構建塊全部到位，他補充說，“我們可以開始連接量子器件來構建量子互聯網，這是下一個令人興奮的步驟。”

從超級計算機到超級計算機的不同處理信息的方式很多，反映了不同的開發人員和工作流程優先級，量子設備將使用不同的頻率運行。這將使連接它們變得具有挑戰性，因此它們可以像今天的計算機在互聯網上交互一樣工作。

這項工作是該團隊之前 在標準電信技術上展示量子信息處理能力的延伸 。此外，他們表示，利用現有的光纖網絡基礎設施進行量子計算是切實可行的：投入了數十億美元，量子信息處理代表了一種新用途。

研究人員表示，他們工作的“完整循環”方面非常令人滿意。“我們一起開始研究，希望探索使用標準電信技術進行量子信息處理，我們發現我們可以回到經典領域并對其進行改進，”Lukens說。